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2022 | Buch

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Unberechenbares Klima

Ursachen und Unsicherheiten des Klimawandels

verfasst von: Prof. Dr. Klaus Dethloff

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Die Veränderungen unseres Klimas sind allgegenwärtig spürbar, das allgemeine Verständnis der Prozesse dahinter aber mit Informationen überschwemmt und vielfach gefiltert. Es fehlt ein tieferer Blick, um Klarheit über die beteiligten Prozesse zu erhalten und nicht zuletzt eigene Handlungsräume zu erkennen. Dieses Buch präsentiert den ungeschminkten Stand des Wissens und Nichtwissens zu den komplexen Ursachen des Klimawandels auf der Basis von globalen Datensätzen und Modellsimulationen. Nicht erschrecken – Der Anspruch besteht darin zu vereinfachen, ohne zu verfälschen.

Klimaänderungen werden nicht nur durch Strahlungsprozesse, sondern auch die nichtlineare Dynamik des Atmosphäre-Meereis-Ozeansystems bestimmt. Die Dynamik des Planeten befindet sich nur teilweise in unserer Hand, denn neben dem menschlichen Einfluss durch Treibhausgase und Aerosole generiert das Klimasystem seine eigene interne Variabilität. Die globale Reduktion des Ausstoßes schädlicher Treibhausgase ist eine unerlässliche Maßnahme in allen Strategien zur Bewältigung des Klimawandels. Aber bleibt dessen Begrenzung ein unerfüllter Wunsch?

Ein Buch, das von einem international ausgewiesenem Experten in der Arktisforschung geschrieben wurde, und komplexe Sachverhalte unseres Klimasystems für jeden interessierten Leser – den Naturwissenschaftler und den Laien - aufschlüsselt. Und das mit dem klaren Ziel aufzuzeigen, dass der Klimawandel nicht aufgehalten, sondern maximal in dessen Auswirkung auf unsere Lebenswelt begrenzt werden kann.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Vorspann

Zusammenfassung

Die wissenschaftlich basierten Resultate des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Reports (2021) zu den Ursachen des Klimawandels bilden in einer Welt mit begrenzten Ressourcen und einer stetig wachsenden Bevölkerung eine wichtige Grundlage für politische Regulierungs- und Anpassungsstrategien.

Klaus Dethloff

Kapitel 2. Nichtlineare Mechanismen im Klimasystem

Zusammenfassung

Steigende atmosphärische CO₂ Konzentrationen beeinflussen die Strahlungsprozesse der Atmosphäre, die sehr gut verstanden sind. Treibhausgase ändern jedoch auch die dynamischen Zirkulationsmuster der Tropo- und Stratosphäre.

Klaus Dethloff

Kapitel 3. Strahlströme und atmosphärische Zirkulation

Zusammenfassung

Die Arktis hat sich sowohl im Winter wie im Sommer in den vergangenen zwei Jahrzehnten deutlich erwärmt. Der troposphärische Strahlstrom, das atmosphärische Westwindband in mittleren Breiten zwischen 10 bis 12 km Höhe, wird durch den Temperaturgradienten zwischen den wärmeren Luftmassen mittlerer Breiten und den kälteren in polaren Breiten gebildet.

Klaus Dethloff

Kapitel 4. Planetare Wellen als Schwungräder der Zirkulation

Zusammenfassung

Die großskaligen planetaren Wellen stellen die Schwungräder der atmosphärischen Zirkulation dar, und ihre Änderungen bestimmen die Ausprägung von regionalen Klimaanomalien. In den vergangenen zwei Jahrzehnten von 2001 bis 2020 hat sich der winterliche Luftdruck über der Barentssee, der Uralregion und über Skandinavien erhöht. Im Sommer beobachtet man eine Verstärkung des Grönlandhochs. Diese planetaren Druckänderungen beeinflussen den troposphärischen Strahlstrom und die Klimaanomalien in mittleren Breiten.

Klaus Dethloff

Kapitel 5. Wetterextreme durch Hoch- und Tiefdruckgebiete

Zusammenfassung

Komplexe Klimamodelle stellen die besten Instrumente zum Verständnis der den Klimawandel bestimmenden Prozesse dar; dennoch weisen sie Defizite bei der Simulation von Zyklonenzugbahnen, persistenten Hochdrucklagen und Niederschlagsänderungen auf. Die Klimaszenarien prognostizieren für das zukünftige Klima des 21. Jahrhunderts eine Nordwärtsverschiebung der Zyklonenzugbahnen und eine bevorzugte positive Phase der nordatlantischen Schwingung. In den vergangenen drei Jahrzehnten bis 2020 haben sich die Feuchtetransporte durch Zyklonen im Winter über dem nördlichen Atlantik und im Sommer über dem südlicheren Atlantik deutlich verstärkt. Die Zahl der sommerlichen Blockierungslagen hat als Folge verstärkter Meridionalisierung über der Arktis zugenommen und zur Meereisschmelze beigetragen.

Klaus Dethloff

Kapitel 6. Atmosphärische Fernverbindungsmuster

Zusammenfassung

Abschmelzendes Meereis verursacht Änderungen in den großskaligen Zirkulationsmustern und Klimaregimen der Nordhemisphäre wie der arktischen Oszillation.

Klaus Dethloff

Kapitel 7. Arktisches Meereis und Zirkulation des Ozeans

Zusammenfassung

Klimaanomalien werden nicht nur durch die Atmosphäre-Meereis-Kopplung bestimmt, sondern auch die globale Ozeanzirkulation. Relativ warmes atlantisches Tiefenwasser fließt zwischen 300 bis 700 m Tiefe auf die Schelfgebiete des Arktischen Ozeans, wird hier abgekühlt, durch Meereisbildung salzhaltiger und dichter, sodass es absinken und im tiefen Ozean zurückfließen kann.

Klaus Dethloff

Kapitel 8. Arktische Schmelze und Zukunft des Meereises

Zusammenfassung

Die frühe arktische Erwärmung zwischen 1920 und 1945 wird mit intern generierter Variabilität in Verbindung gebracht und durch die CMIP-Modelle nicht reproduziert.

Klaus Dethloff

Kapitel 9. Wechselwirkung der atmosphärischen Stockwerke

Zusammenfassung

Die Wechselwirkung der arktischen Zirkulation mit jener in mittleren Breiten erfolgt im Winter über die Ausbreitung planetarer Wellen aus der Tropo- in die Stratosphäre und durch Beeinflussung des arktischen stratosphärischen Tiefdruckwirbels.

Klaus Dethloff

Kapitel 10. Wechselwirkung der Arktis mit den mittleren Breiten

Zusammenfassung

Das schmelzende arktische Meereis erzeugt im Spätherbst eine diabatische Wärmeglocke in der Barentssee, die als zusätzlicher Antriebsfaktor für die vertikale Ausbreitung planetarer Wellen aus der Tropo- in die Stratosphäre wirkt.

Klaus Dethloff

Kapitel 11. Blockierungslagen, Hitzeglocken und Starkregen

Zusammenfassung

Die Entwicklung von kalten und warmen Klimaanomalien auf der Zeitskala von Jahreszeiten und Wetterextremen wie Hitzewellen und Starkregen mit Überschwemmungen wird durch externe Randbedingungen und nichtlineare Wechselwirkungen zwischen planetaren und baroklinen Wellen bestimmt.

Klaus Dethloff

Kapitel 12. Komplexitätsreduktion in Klimamodellen

Zusammenfassung

Gekoppelte Klimamodelle sind das beste zur Verfügung stehende Instrument zur quantitativen Abschätzung der anthropogenen Folgen menschlicher Wirtschaftstätigkeit und von Änderungen der atmosphärischen Zirkulationsmuster im Klimasystem.

Klaus Dethloff

Kapitel 13. Planetare Wellen im Klima der Zukunft

Zusammenfassung

Der Klimawandel manifestiert sich durch Änderungen in den planetaren Wellen- und Zirkulationsmustern und baroklinen Zyklonen. Die arktische Verstärkung des Treibhauseffektes reduziert den meridionalen Temperaturgradienten in der unteren Troposphäre. Gleichzeitig führt die Abkühlung der arktischen Stratosphäre zur Verstärkung des Äquator-Pol-Temperaturgradienten in der oberen Troposphäre.

Klaus Dethloff

Kapitel 14. Natürliche Klimavariabilität auf Dekaden

Zusammenfassung

Klimaentwicklung wird durch externe Randbedingungen wie z. B. die CO₂-Konzentration und die Anfangsbedingungen in den Subsystemen des Klimasystems bestimmt. Klimaänderungen manifestieren sich als Häufigkeitsänderungen des Auftretens atmosphärischer Zirkulationsregime.

Klaus Dethloff

Kapitel 15. Historische Klimaanomalien und Wetterextreme

Zusammenfassung

Im Klimasystem sind im vergangenen Jahrtausend abrupte Änderungen, langandauernde Klimaanomalien und Wetterextreme aufgetreten. Dokumentiert sind in der Neuzeit das Klimaoptimum zwischen ca. 1000 und 1300, die Kleine Eiszeit von ca. 1570 bis 1700 und die gegenwärtige globale Erwärmung.

Klaus Dethloff

Kapitel 16. Grenzen der Klimavorhersagbarkeit

Zusammenfassung

Die dominierenden Telekonnektionsmuster der Atmosphäre kann man sich als unterschiedlich tiefe Potenzialtöpfe in einem zweidimensionalen Phasenraum des Klimasystems in Abhängigkeit von externen Antriebsparametern wie CO₂-Konzentration, Meereisbedeckung oder subgridskaligen Prozessen wie Reibung vorstellen. Klimavariabilität entsteht in diesem Bild durch chaotisches Wandern zwischen den Potenzialtöpfen mit unterschiedlichen Verweilzeiten in ihnen. Nichtlineare Prozesse im gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Meereis-System bestimmen durch die ozeanischen Anfangsbedingungen und die chaotische Variabilität der Atmosphäre unter dem Einfluss synoptischer Prozesse die Besetzungshäufigkeiten der großskaligen atmosphärischen Zirkulationsregime.

Klaus Dethloff

Kapitel 17. Wetter- und Eisvorhersagen in der Arktis

Zusammenfasung

Die begrenzte Anzahl von Radiosondierungen in der Arktis und über den Ozeanen führt zu Unsicherheiten in den Anfangsbedingungen der numerischen Wettervorhersagemodelle. Die Sensitivität der Modelle auf tropo- und stratosphärische Anfangsbedingungen und subgridskalige Parametrisierungen begrenzt den atmosphärischen Vorhersagezeitraum auf wenige Tage. In den baroklinen Zonen zwischen arktischen Hoch- und Tiefdruckgebieten treten Instabilitätsprozesse auf, die zu einem verstärkten Fehlerwachstum in den Vorhersagemodellen führen. Das strömungsabhängige Anwachsen von Vorhersagefehlern auf der synoptischen Skala erfordert zusätzliche Radiosondierungen für die Datenassimilation über dem Arktischen Ozean. Diese könnten Wetter- und Meereisvorhersagen entlang des nördlichen Seeweges verbessern und auch die Vorhersagen von Wetterextremen in mittleren Breiten sicherer machen.

Klaus Dethloff

Kapitel 18. Das Driftschollenexperiment mit der Polarstern

Zusammenfassung

Die Erforschung der Arktis durch russische Nordpoldriftstationen seit 1937 wurde nach 2010 durch die beschleunigte Meereisschmelze zunehmend erschwert. Das MOSAiC-Projekt einer internationalen arktischen Eisdriftstation durch Andocken des deutschen Forschungseisbrechers „Polarstern“ als Überwinterungsplattform an eine Eisscholle und deren Transpolardrift über den Arktischen Ozean lieferte einzigartige Daten zur Funktionsweise des gekoppelten Klimasystems der Arktis. Diese können die Wetter- und Eisvorhersagemodelle sowie komplexe Klimamodelle in der Arktis verbessern.

Klaus Dethloff

Kapitel 19. Technokratische Wege zur Klimakontrolle

Zusammenfassung

Der Ausstieg aus der fossilen Energieerzeugung ist unumgänglich, scheitert aber in einer multipolaren Welt an den divergierenden Interessen der Nationalstaaten sowie am Fehlen einer weltweit handlungsfähigen Exekutive. Deshalb gewinnen wieder Geoengineeringideen an Zugkraft, die den globalen Klimainfarkt verhindern sollen. Wiederaufforstung von Wäldern und Renaturierung von Mooren stellen in diesem Portfolio sinnvolle Schritte zur Klimastabilisierung dar. Wälder absorbieren durch Photosynthese Kohlendioxid aus der Atmosphäre und sind deshalb ein wichtiger natürlicher Faktor im Geoengineeringportfolio. Andere technokratische Lösungsvorschläge zeugen angesichts der bestehenden Unsicherheiten im Verständnis der Dynamik des Klimasystems von Verantwortungslosigkeit und wissenschaftlicher Überheblichkeit und würden die Probleme eher verschärfen.

Klaus Dethloff

Kapitel 20. Nachklang

Zusammenfassung

Vorhersagen und Zukunftsprojektionen sind nicht nur in komplexen, sondern schon in niedrigdimensionalen und vereinfachten Systemen mit Unsicherheiten behaftet. Bereits drei gekoppelte nichtlineare Differenzialgleichungen entwickeln deterministisches Chaos. Die komplexen Klimamodelle erlauben quantitative Aussagen zum globalen Temperaturanstieg und den qualitativen Änderungen in nordhemisphärischen Zirkulationsmustern durch menschlich erzeugte Treibhausgasemissionen. Fehler und Unsicherheiten in den Klimamodellen verhindern jedoch verlässliche Abschätzungen des zukünftigen Klimawandels für die einzelnen Regionen, auch in Bezug auf Wetter- und Klimaextreme. Dadurch erhalten Politik und Öffentlichkeit nicht die erforderlichen klaren und physikalisch fundierten scharfen Bilder des Klimawandels, die es erlauben würden, die richtigen regional angepassten Schritte zu dessen Bewältigung und Eingrenzung einzuleiten. Ensemblesimulationen mit regionalen Klimamodellen zeigen zudem, dass natürliche Klimavariabilität in Europa signifikant zur Gesamtstreuung des Klimawandelsignals beiträgt.

Klaus Dethloff

Backmatter

Titel: Unberechenbares Klima
verfasst von: Prof. Dr. Klaus Dethloff
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-64900-8
Print ISBN: 978-3-662-64899-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-64900-8